CN112370970A - 一种双膜蒸馏装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双膜蒸馏装置，包括依次连接的空气过滤器、变频风机、换热器、蒸发模块、冷凝器及冷凝水收集箱；所述蒸发模块包括装填于蒸发模块空气侧与液体侧之间的双层膜材料；所述蒸发模块用于利用经所述换热器换热后的热空气对所述双层膜材料下方的液体进行加热，通过使液体侧膜表面的水蒸气压高于空气侧的水蒸气压，促使水蒸气通过膜孔透出，使透出的水蒸气由干燥热空气带至所述冷凝器中进行冷凝，并通过所述冷凝水收集箱收集冷凝水，以完成水分提取的整个过程。本发明利用双膜材料的选择透过性和内外蒸气压差对液体进行浓缩或回收其中的水分，能够回收液体中大部分水分或对液体进行深度浓缩，可应用于液体浓缩、废液处理等领域。

Description

一种双膜蒸馏装置
技术领域
本发明涉及一种膜蒸馏装置，尤其涉及一种双膜蒸馏装置。
背景技术
目前，以国际空间站为代表的空间站环境控制与生命保障系统(以下简称环控生保)技术，采用物化再生完成水的再生循环，通过蒸汽压缩蒸馏的方法处理尿液，最高能够回收尿液中85％左右的水分。剩余水分随蒸馏残液一起丢弃，这部分水分损失将影响环控生保系统水循环闭合度。此外，为了提高蒸馏的效率和产水水质，在进入压缩蒸馏工序前，需在尿液中加入强酸和强氧化剂进行预处理，导致蒸馏浓缩后的残液具有强酸和强腐蚀性(pH为1～2)，残液存储和运输的风险大大增加。因此，通过一定手段进一步提取并回收尿残液中的水分，降低尿残液容积，既能提高现有水循环的闭合度，又能减缓尿残液存储带来的潜在安全风险，对于空间站长期运行和载人深空探测任务而言，意义重大。
关于膜蒸馏装置及方法，已有相关人员进行了研究和探讨，专利CN102923894A公开了一种通过双膜蒸馏处理反渗透浓水的工艺及装置，该专利通过膜蒸馏和渗透膜蒸馏过程的结合，提取反渗透浓水中的水分，同时完成对料液的浓缩，该装置应用对象为理化性质较为稳定的反渗透浓水，无法直接应用于强酸、强氧化性的尿残液等料液的处理。专利CN210736429U公开了一种含盐废水的资源化耦合集成系统，通过纳滤单元和反渗透单元以及电渗析，能够有效的对含盐废水进行浓缩，但是该系统同样存在流程复杂和能耗高的缺点，无法满足环控生保系统的应用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种双膜蒸馏装置，利用双膜材料的选择透过性，提取回收特定液体中的水分或完成液体的浓缩，同时减少废液体积，满足国际空间站尿残液水分回收的需求和要求。
本发明提供了一种双膜蒸馏装置，包括依次连接的空气过滤器、变频风机、换热器、蒸发模块、冷凝器及冷凝水收集箱；所述蒸发模块包括装填于蒸发模块空气侧与液体侧之间的双层膜材料；
所述蒸发模块用于利用经所述换热器换热后的热空气对所述双层膜材料下方的液体进行加热，通过使液体侧膜表面的水蒸气压高于空气侧的水蒸气压，促使水蒸气通过膜孔透出，使透出的水蒸气由干燥热空气带至所述冷凝器中进行冷凝，并通过所述冷凝水收集箱收集冷凝水，以完成水分提取的整个过程。
进一步地，所述双层膜材料由耐强酸强氧化且只让水蒸气分子通过的质子膜及耐强酸强氧化的疏水性平板膜组成，所述质子膜布置于空气侧，所述疏水性平板膜布置于液体侧。
进一步地，所述蒸发模块还包括连接盖、密封圈、排气管、结晶棒、蒸发腔、液体加注箱、空气腔、挡板、手阀及输液管；
所述蒸发腔和空气腔通过所述连接盖连接，在所述连接盖内部，所述蒸发腔通过螺纹拧紧的方式压紧所述密封圈、疏水性平板膜及质子膜，用以防止所述蒸发腔内的液体泄露；
所述排气管一端设于所述疏水性平板膜下表面与液体上表面之间，另一端与所述液体加注箱上部联通，用于在加注液体时排出所述蒸发腔内的空气，以保证下层液体与所述疏水性平板膜充分接触；
所述结晶棒安装于所述蒸发腔底部，表面具有粗糙度，用于通过形成晶核，减少蒸发过程所述疏水性平板膜表面的结晶，提高疏水性平板膜的使用寿命与蒸发效率；
所述液体加注箱安装于所述空气腔上方，通过所述输液管与所述蒸发腔联通，用于通过所述液体加注箱与蒸发腔之间的液位差保证在蒸馏过程中下层液体与疏水性平板膜充分接触；
所述挡板设于所述连接盖两端，用于引导气流走向，优化空气腔流场分布，提高所述双层膜材料外表面附近的气流湍流度，提升蒸发速率；
所述手阀安装于所述液体加注箱上方。
进一步地，所述排气管顶端设有槽，并且与所述疏水性平板膜接触部分设有凸出的弧面，用于在空气集中在弧面时，借助液体的压力使空气从槽口排出，以保证液体与疏水性平板膜之间充分接触。
进一步地，该装置还包括PLC控制系统，所述蒸发模块进、出口管路均安装有温湿度检测仪，所述液体加注箱内装有液位传感器；
所述PLC控制系统用于通过所述液位传感器实时监测所述液体加注箱中的液位，以及通过所述温湿度检测仪实时监测所述蒸发模块前后的空气温度和湿度，并通过控制所述变频风机及换热器，调节空气流量和温度；同时以蒸发模块前后的温度差值，或通过所述液位传感器的检测值计算出的浓缩比作为停机判据，执行自动停机动作。
借由上述方案，通过双膜蒸馏装置，具有如下技术效果：
1)本发明采用的蒸发模块，拆装便捷，可根据实际需要来增添蒸发模块的个数，通用性较强。
2)本发明采用液体在膜材料下方的方式蒸馏，蒸馏过程中产生的沉淀结晶在重力作用下与膜材料分离，而结晶棒的设置进一步降低了膜材料表面发生沉淀结晶的概率，从而提高膜材料的使用寿命和蒸发速率。
3)本发明有机整合疏水膜和质子膜两种膜材料，对蒸发过程中产生的有害物质实施高效拦截，保证透过水蒸气及回收水的质量。
4)发明可通过液体加注箱容积和蒸发腔的容积大小来控制最高蒸发率或最大浓缩比，并可全程实时监测蒸馏过程。
5)本发明可应用于液体浓缩、废液处理等领域，具有良好的适应性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
图1是本发明双膜蒸馏装置的结构示意图；
图2是本发明蒸发模块的结构示意图。
图中标号：
1-空气过滤器；2-变频风机；3-换热器；4-温湿度检测仪；5-蒸发模块；6-冷凝器7-冷凝水收集箱；
5a-连接盖；5b-密封圈；5c-排气管；5d-质子膜；5e-疏水性平板膜；5f-结晶棒；5g-蒸发腔；5i-液体加注箱；5j-液位传感器；5h-空气腔；5k-挡板；5m-手阀；5n-输液管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1、图2所示，一种双膜蒸馏装置，包括空气过滤器1、变频风机2、换热器3、温湿度检测仪4、蒸发模块5、冷凝器6、冷凝水收集箱7及PLC控制系统；其中，变频风机2以0.5-2m3/h的速度从空气过滤器1处吸取外界空气，经换热器3换热后，出口气体温度为50-60℃，经换热器3换热后的热空气进入蒸发模块5中，蒸发模块5中有面积为0.02m2的质子膜5d和疏水性平板膜5e，热空气通过质子膜5d和疏水性平板膜5e将热量传导给液体，升高液体侧膜材料表面的水蒸气分压，同时带走空气侧膜材料表面的水蒸气，降低空气侧膜材料表面的水蒸气分压，给水蒸气的透出提供动力，蒸发模块5前后安装的温湿度检测仪4对进气的温湿度和出气的温湿度进行测量，数据实时反馈给PLC控制系统，蒸发模块5后装有冷凝器6和冷凝水收集箱7，从蒸发模块5后出来的湿热气体在冷凝器6中冷凝，冷凝水收集在冷凝收集箱7中，从而完成水分提取和浓缩的整个过程。
蒸发模块5包括连接盖5a、密封圈5b、排气管5c、质子膜5d、疏水性平板膜5e、结晶棒5f、蒸发腔5g、液体加注箱5i、液位传感器5j、空气腔5h、挡板5k、手阀5m、输液管5n；内径162mm高66mm的蒸发腔5g和长320mm宽220mm高10mm空气腔5h通过内径190mm外径200mm的连接盖5a连接，连接盖内外都有螺纹，外螺纹与空气腔5h连接，内螺纹与蒸发腔5g连接，蒸发腔5g和连接盖5a通过螺纹拧紧的方式压紧密封圈5b、质子膜5d和疏水性平板膜5e，防止液体泄露，内径5mm的排气管5c能够在液体加注时借助液体的压力排出蒸发腔5g内的空气，保证液体和膜材料的接触面积，蒸发腔5g底部安装的直径10mm的PTFE材质的结晶棒5f能够减少蒸馏过程中膜材料表面的结晶，在空气腔5h上方安装有液体加注箱5i，液体加注箱5i内液体经输液管5n输送至蒸发腔5g，液体能够依靠重力作用始终与膜材料保持接触；挡板5k在连接盖两端引导气流走向，液体加注箱5i上方装有手阀5m方便往液体加注箱5i内加注液体，液体加注箱5i内装有液位传感器5j，实时检测液体加注箱5i内的液位变化并计算蒸发率或浓缩比。
本实施例的结晶棒5f材料采用PTFE材质，结晶棒5f表面具有较高的粗糙度，利于晶核的形成，能够减少膜材料表面的结晶，提高膜材料的使用寿命与蒸发效率。
本实施例的膜材料中与液体接触一侧为耐强酸强氧化性质的疏水性平板膜5e，该膜为PTFE材料，能够以高速渗透的方式透过水蒸气和少量的气体；与空气侧接触的为耐强酸强氧化性质且只能够让水蒸气分子通过的带有大量磺酸基团的质子膜5d，内含有大量的磺酸基团，能形成水分子通道，从而选择性透过水蒸气并隔离其他气体成分，保证残液内部的水蒸气透过并隔离其他气体成分，从而保证透过气体和回收水质量。水蒸气透过这两层膜的动力来源于膜内外的水蒸气压差。
本实施例的排气管5c顶端有槽(参见图2中I处放大图)，在与膜材料接触时会有凸出的弧面，空气集中在弧面时，能够借助液体的压力从槽口排出，从而使液体与膜材料之间不会因气泡的存在而降低蒸发速率。
本实施例的液体加注箱5i容积的大小与蒸发腔5g容积的比值为4，其最大浓缩比为5(初始液体量与蒸发后液体量的比值)，此外，可以通过液体加注箱液位实时反应蒸发过程并调节浓缩比。可根据液体加注箱(5i)容积和蒸发腔(5g)的容积大小来控制调节单批次处理的最高蒸发率或最大浓缩比，并通过液位传感器检测值反应蒸馏过程的浓缩比和水分蒸发量。
本实施例的挡板5k能够引导气流走向，使得气流经过膜材料表面时形成湍流，带走膜材料表面的水蒸气，提高蒸发效率。
本实施例的PLC控制系统可实时监测液体加注箱5i中的液位、以及蒸发模块5前后的气体温度和湿度，并通过对变频风机2和换热器3的控制，调节气体流量和进气温湿度，同时以蒸发模块5前后的温度差值，或通过液位传感器5j的检测值计算出的浓缩比作为系统停机的判据，实时自动停机，节约能源。
本实施例工作过程如下：液体加注箱5i内的液体经输液管5n在重力作用下输送至蒸发腔5h，蒸发腔5h内的空气在液体的压力下从排气管5c的槽口排出，变频风机2以0.5-2m3/h的速度从空气过滤器处吸入外界空气，经换热器3换热后，出口气体温度为50-60℃，换热后的热空气进入蒸发模块5中，蒸发模块5中有带有大量磺酸基团的质子膜5d和PTFE材质的疏水性平板膜5e，热空气通过质子膜5d和疏水性平板膜5e将热量传导给液体，升高液体侧膜材料表面的水蒸气分压，同时带走空气侧膜材料表面的水蒸气，降低空气侧膜材料表面的水蒸气分压，给水蒸气的透出提供动力，蒸发模块5前后安装的温湿度检测仪4对进气的温湿度和出气的温湿度进行测量，数据实时反馈给PLC控制系统，蒸发模块5后装有冷凝器6和冷凝水收集箱7，从蒸发模块5后出来的湿热气体在冷凝器6中冷凝，冷凝水收集在冷凝水收集箱7中，冷凝后的气体直接排入大气，从而完成水分提取的整个过程。当液体加注箱5i内的液位低于设定值时，自动停机；通过检测液体加注箱5i内液面的下降量可以得到蒸发量以及浓缩比。当蒸发模块5前后的温度差值较大时，表示液体中的水分回收尚未回收完全，当蒸发模块5前后的温度差值较小时，表示双膜蒸馏中水分回收速率较慢，已经达到回收极限，可以自动停机，节约能源。
该装置利用双膜材料的选择透过性和内外蒸气压差对液体进行浓缩或回收其中的水分。通过双膜材料对液体中的有害物质实施拦截，保证透过水蒸气及回收水的质量。能够回收液体中大部分水分或对液体进行深度浓缩，可应用于液体浓缩、废液处理等领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双膜蒸馏装置，其特征在于，包括依次连接的空气过滤器(1)、变频风机(2)、换热器(3)、蒸发模块(5)、冷凝器(6)及冷凝水收集箱(7)；所述蒸发模块(5)包括装填于蒸发模块(5)空气侧与液体侧之间的双层膜材料；
所述蒸发模块(5)用于利用经所述换热器(3)换热后的热空气对所述双层膜材料下方的液体进行加热，通过使液体侧膜表面的水蒸气压高于空气侧的水蒸气压，促使水蒸气通过膜孔透出，使透出的水蒸气由干燥热空气带至所述冷凝器(6)中进行冷凝，并通过所述冷凝水收集箱(7)收集冷凝水，以完成水分提取的整个过程。
2.根据权利要求1所述的双膜蒸馏装置，其特征在于，所述双层膜材料由耐强酸强氧化且只让水蒸气分子通过的质子膜(5d)及耐强酸强氧化的疏水性平板膜(5e)组成，所述质子膜(5d)布置于空气侧，所述疏水性平板膜(5e)布置于液体侧。
3.根据权利要求2所述的双膜蒸馏装置，其特征在于，所述蒸发模块(5)还包括连接盖(5a)、密封圈(5b)、排气管(5c)、结晶棒(5f)、蒸发腔(5g)、液体加注箱(5i)、空气腔(5h)、挡板(5k)、手阀(5m)及输液管(5n)；
所述蒸发腔(5g)和空气腔(5h)通过所述连接盖(5a)连接，在所述连接盖(5a)内部，所述蒸发腔(5g)通过螺纹拧紧的方式压紧所述密封圈(5b)、疏水性平板膜(5e)及质子膜(5d)，用以防止所述蒸发腔(5g)内的液体泄露；
所述排气管(5c)一端设于所述疏水性平板膜(5e)下表面与液体上表面之间，另一端与所述液体加注箱(5i)上部联通，用于在加注液体时排出所述蒸发腔(5g)内的空气，以保证下层液体与所述疏水性平板膜(5e)充分接触；
所述结晶棒(5f)安装于所述蒸发腔(5g)底部，表面具有粗糙度，用于通过形成晶核，减少蒸发过程所述疏水性平板膜(5e)表面的结晶，提高疏水性平板膜(5e)的使用寿命与蒸发效率；
所述液体加注箱(5i)安装于所述空气腔(5h)上方，通过所述输液管(5n)与所述蒸发腔(5g)联通，用于通过所述液体加注箱(5i)与蒸发腔(5g)之间的液位差保证在蒸馏过程中下层液体与疏水性平板膜(5e)充分接触；
所述挡板(5k)设于所述连接盖两端，用于引导气流走向，优化空气腔(5h)流场分布，提高所述双层膜材料外表面附近的气流湍流度，提升蒸发速率；
所述手阀(5m)安装于所述液体加注箱(5i)上方。
4.根据权利要求3所述的双膜蒸馏的装置，其特征在于，所述排气管(5c)顶端设有槽，并且与所述疏水性平板膜(5e)接触部分设有凸出的弧面，用于在空气集中在弧面时，借助液体的压力使空气从槽口排出，以保证液体与疏水性平板膜(5e)之间充分接触。
5.根据权利要求1所述的双膜蒸馏的装置，其特征在于，还包括PLC控制系统，所述蒸发模块(5)进、出口管路均安装有温湿度检测仪(4)，所述液体加注箱(5i)内装有液位传感器(5j)；
所述PLC控制系统用于通过所述液位传感器(5j)实时监测所述液体加注箱(5i)中的液位，以及通过所述温湿度检测仪(4)实时监测所述蒸发模块(5)前后的空气温度和湿度，并通过控制所述变频风机(2)及换热器(3)，调节空气流量和温度；同时以蒸发模块(5)前后的温度差值，或通过所述液位传感器(5j)的检测值计算出的浓缩比作为停机判据，执行自动停机动作。
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